CN101272154A - 一种抗噪声无线通讯耳罩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗噪声无线通讯耳罩装置，包括用于将声音转换成电信号的耳骨传导输入装置，将电信号转换成声波的耳骨传导输出装置，以及与所述耳骨传导输入装置和耳骨传导输出装置电连接的无线通讯模块；还包括一耳罩体，所述耳罩体用于承载所述无线通讯模块及所述耳骨传导输入/输出装置，且用于阻隔噪声；所述耳骨传导输入/输出装置与人体耳道紧密接触。由于采用了物理手段有效屏蔽噪音，通过骨骼拾取并传递送话音频信号至大脑听觉神经的途径，可在强烈噪声环境下保护工作人员耳膜安全的同时，实现了多人用无线通讯传输装置进行语音小型集群通话，开辟了强烈噪声环境下无线语音通讯领域的创新。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通讯耳罩装置，尤其涉及的是一种抗噪声无线通讯耳罩装置的改进。
背景技术
在噪声环境下，有些工作场合都会使用防护耳罩，通过防护耳罩中的隔音材料，来阻挡外界噪声对工作人员耳膜的伤害。但目前普遍采用的做法是采用高分子材料填充隔音材料，用作噪音在空气中传导的阻尼消减其振幅，从而达到降低噪声的目的。在一般需求下，也可以采用比较常见的阻尼材料作为填充物，如聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、酚醛树脂、聚甲醛、聚氯乙烯等制成的发泡材料即可。
现有技术在降噪技术方面常用的手段有：噪声对消技术和DSP(DigitalSignal Processing)数字信号处理降噪技术等。而噪声环境下的通讯，目前国际上大都采用的方法是，先让传感器建立环境噪声信号模型，然后在电路上采取反相的音频信号来抵消噪声的音频信号，从而达到使送话方音频信号不受噪声干扰的目的，即有源降噪耳机。
在无线通讯技术方面，短距离的语音通话，目前采取的技术手段多为半双工对讲机通讯，所谓半双工(HalfDuplex)是指信号可以在一个载体的两个方向上传输，但是不允许同时传输。
但是在诸如机场的飞机维护、发动机试车或某大型机组运行以及炮火阵地的军事演练等强烈噪音环境下，上述的通讯方案就无法满足实际通讯的需求，目前也没有专门为强烈噪声环境下进行集群通话的专用设备和技术方案。
因此，现有技术存在缺陷，尚有待改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抗噪声无线通讯耳罩装置，可在强烈噪声环境下保护工作人员耳膜的同时，又能够在多人之间使用无线通讯传输装置进行语音小型集群通话。
本发明的技术方案如下：
一种抗噪声无线通讯耳罩装置，其中：包括用于将声音转换成电信号的耳骨传导输入装置，将电信号转换成声波的耳骨传导输出装置，以及与所述耳骨传导输入装置和耳骨传导输出装置电连接的无线通讯模块，用于语音通讯；还包括一耳罩体，所述耳罩体用于承载所述无线通讯模块及所述耳骨传导输入/输出装置，且用于阻隔噪声；所述耳骨传导输入/输出装置与人体耳道紧密接触。
所述的耳罩装置，其中，所述的耳罩体包括一外壳部，其内置阻尼层，所述无线通讯模块设置在所述外壳部内。
所述的耳罩装置，其中，外壳部内侧设置有适配人耳的凹部，所述耳骨传导输入/输出装置设置在所述凹部。
所述的耳罩装置，其中，所述耳骨传导输入/输出装置与所述耳罩体分离设置，通过导线与所述无线通讯模块电连接。
所述的耳罩装置，其中，所述阻尼层采用高分子填充材料制成，或采用压电晶体复合材料制成。
所述的耳罩装置，其中，所述无线通讯模块采用ZIGBEE模块。
所述的耳罩装置，其中，还包括一适配头部的支架，所述支架与所述耳罩体的外壳部活动连接，用于将耳罩体固定在人体耳部。
所述的耳罩装置，其中，所述的耳骨传导输入和耳骨传导输出装置一体设置。
所述的耳罩装置，其中，所述耳罩体为两个，分别与所述支架活动连接。
所述的耳罩装置，其中，所述耳罩体为两个，分别与所述支架活动连接；所述耳骨传导输入装置和耳骨传导输出装置分设在两个耳罩体。
本发明所提供的一种抗噪声无线通讯耳罩装置，由于采用了物理手段有效屏蔽噪音，通过骨骼拾取并传递送话音频信号至大脑听觉神经的途径，可在强烈噪声环境下保护工作人员耳膜安全的同时，实现了多人用无线通讯传输装置进行语音小型集群通话，开辟了强烈噪声环境下无线语音通讯领域的创新。
附图说明
图1为本发明在一强噪音源附近的施工示意图；
图2为本发明系统过程的结构方框示意图；
图3为本发明骨传导拾音器频谱图；
图4为本发明终端左防护罩结构示意图；
图5为本发明终端右防护罩结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式加以详细说明。
本发明的一种抗噪声无线通讯耳罩装置具体实施方式，主要改进在，通过骨骼传导声音实现强噪音环境下的无线电通话装置，如图1所示，为多套抗噪声无线通讯耳罩装置同时使用在一强噪音源如发动机试车时的状态，工作终端101、102和103处于噪音源104的强噪音范围下，通过工作主机105的控制，实现多人用无线通讯传输装置进行语音小型集群通话，至于如何编解码音频信号以及如何发射和接收无线电的技术为现有技术所熟知，在此不再赘述。
本发明具体实施方式的一种抗噪声无线通讯耳罩装置，其系统过程的结构如图2所示，语音发送音201经骨传导传感器202拾取，由声/电转换电路203转换并由前置放大器204放大，通过功率放大器205到达编码电路206编码，随后无线发射电路207发射并由其他无线接收电路208接收，经过解码电路209解码后，由骨传导耳机210到达语音接受者211。
较好的是，所述耳罩装置还配置有服务监控报警系统，可实现监控和考核等功能。
作为本发明的抗噪声无线通讯耳罩装置具体实施方式之一，将整个系统通过现有技术的手段整合到一套耳罩体内，该套装置的形状可以是现有技术中的任何一种，例如头戴式的防护耳罩体，其外壳部设置有弓型连接桥，该耳罩体可为左右两个，分别与支架活动连接，骨传导输入装置和骨传导输出装置分别设置在左右两个耳罩体内；或者将骨传导输入和骨传导输出装置一体设置，可以设置在同一侧的耳罩体内，也可以在两个耳罩体内都设置；简言之，在将麦克风和耳机集成在防护耳罩内时，既可以分体设置，也可以一体设置，并在壳体内留有预定空间以容纳下述各种部件，完成产品功能的实现。
如图4所示的左防护罩，用于将声音振动而产生的细微振动转换成电信号的耳骨传导输入装置403，采用骨传导压电晶体，作为骨骼震动传感器，拾取说话人的音频信号，用柔软材料制作骨骼震动传感器的包装壳，以形成耳塞形式的麦克风，设置于耳罩体外壳部401内侧的凹部，所述凹部可按适配人耳的结构进行设计；所述耳骨传导输入装置403与人体耳道紧密贴合接触但与耳罩体分离，通过导线405与无线通讯模块404电连接；无线通讯模块404如ZIGBEE模块位于耳罩体内部，用于接收耳骨传导输入装置403输出的电信号，及用于无线发射和接收电信号；耳罩体内还充满有阻尼层402，采用高分子填充材料制成阻尼层，或采用压电晶体复合材料衬垫及填充材料制成阻尼层，用于阻隔外界噪声保护耳膜；耳罩体外壳部401外侧还设置有一适配头部的支架406和支架外侧的天线407，所述支架406可容纳导线405，与耳罩体的外壳部活动连接，用于将耳罩体固定在人体耳部。
如图5所示的右防护罩，用于将电信号转换成声波并通过骨传导作用螺旋器触发听觉的耳骨传导输出装置503，采用骨传导压电晶体作为骨骼振动扬声器，用柔软材料制作包装壳，以形成耳塞式耳机，设置于耳罩体外壳部501内侧的凹部，所述凹部可按适配人耳的结构进行设计；所述耳骨传导输出装置503与人体耳道紧密贴合接触但与耳罩体分离，通过导线505与无线通讯模块504电连接；无线通讯模块504如ZIGBEE模块位于耳罩体内部，用于发送耳骨传导输出装置503输出的电信号，及用于无线发射和接收电信号；耳罩体内还充满有阻尼层502，采用高分子填充材料制成阻尼层，或采用压电晶体复合材料衬垫及填充材料制成阻尼层，用于阻隔外界噪声保护耳膜；耳罩体外壳部501外侧还设置有一适配头部的支架506和支架内侧的电池腔507，用于装配可提供电源驱动的干电池或充电电池；所述支架506可容纳导线505，与耳罩体的外壳部活动连接，用于将耳罩体固定在人体耳部。
一般情况下，声音是通过空气传播的，所以这种传导方式叫做“空气传导”，简称“气导”。但声音除了可以气导以外，还有另一条传导的捷径，就是通过物体的振动直接在物体内部传播。例如，把敲击后的音叉放在耳后乳突骨或前额骨上，人们也能感受到声音。这种通过颅骨固体骨质传导的方式称作“骨传导”，简称“骨导”。
骨传导是声波传导的一种方式，即声波通过直接引起人体内骨头的振动后传入内耳，再由中枢神经传入大脑相应的听觉感应区。骨传导技术也就是利用人体内骨头来传导声音的技术。
骨传导分有移动式和挤压式两种方式，二者协同可刺激螺旋器触发引起听觉，具体传导途径为：“声波→颅骨→骨迷路→内耳淋巴液→螺旋器→听神经→大脑皮层听觉中枢”。正是因为骨传导耳机与骨骼直接接触，所以在堵住双耳的情况下也可以照常清晰的听到声音，从而可在非常嘈杂的环境下分辨出来自骨传导耳机的声音。
采用骨传导传感器作为送话音频信号的拾取手段，从原理上可完全避开噪声源进入音频传输信道，使受话方只能获得送话方的语音音频信号而不受任何环境噪声干扰。
因此，本发明耳骨传导输入装置就是利用在讲话时所引起的头颈部骨骼的轻微振动把声音信号收集起来转为电信号的设置之一。由于它不同于传统意义下通过空气传导采集声音的麦克风，所以在很嘈杂的环境里，也仍然可以把需要的声音高清晰的传出来。
而根据发声的原理，发声时声带振动、口腔空间共振，由口中传出声音的同时，口腔周围的骨头会随声音振动而产生细微振动。耳骨传导输出装置就是依据这一原理而制作的，它实际上是一种振动式麦克风，其工作原理是，利用高灵敏度的振动传感器拾取人们在说话时，由声带振动所引起的组织振动，并将该振动转换成电信号处理。而以这种方式收集的振动信号经放大后，与普通麦克风收集的信号区别很大，如图3所示，几乎没有什么高频成份，从而达到了降噪的目的。
在许多强噪音场合中，由于环境比如枪炮声、飞机轰鸣声等影响，导致传统麦克风传递音频信号会受到极大的干扰；还有些场合下战士不能够直接对这麦克风讲话，如带着防毒面具时，而且有的场合也不适宜在嘴边挂着个麦克风等。在此种种情况下就可以利用耳骨传导输入装置拾取所需要的声音。
本发明耳罩装置采用了耳骨传导输出装置作为音频信号接收手段，使受话方不通过耳膜震动，而是直接通过头骨震动接受语音信号作用于听觉神经，对大脑形成语音信号。因此，同耳骨传导输入装置一样，本发明耳骨传导输出装置也是通过颅骨的震动将声音传入耳内。
相对于噪声对消技术，本发明抗噪声无线通讯耳罩装置采用了骨传导降噪技术以减少噪声生成的途径，而不是在噪声生成后再被动的去抵消，可以应用于不同场合，并且其表现性能稳定。而相对于目前技术成熟并被广泛使用的DSP技术来说，采用本发明骨传导降噪技术有其独特的优势，因为骨传导受话器拾取的信号本身，是携带噪声信号非常少的信号，也就是说，在某种程度上不必要再进行信号的数字化处理，从而简化了电路的设计，可以达到更佳的效果。
另外，压电复合材料也可设计作为吸声阻尼材料，将导电微粒与聚偏二氟乙烯混合制得压电吸声材料，导电微粒在基质材料中形成微观局部的电流回路，有效地将声能及振动能转换为电能再经压电作用以热的形式耗散掉，有高效吸声和减振的作用，例如弛豫型铁电压电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 PMN-PT和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 PZN-PT等是最近几年发展起来的弛豫型铁电压电单晶材料，这类单晶具有优异的介电性能和压电性能，室温介电常数达到5000，压电系数d33可达2500；3000pC/N，机电耦合系数＞90％，最大应变量12％。
该晶体是目前发现的压电系数和应变量最大的材料，弛豫型铁电压电单晶的压电系数是钛酸钡BT陶瓷的10-15倍，是PZT陶瓷的5-6倍；它的电致应变量比BT和PZT分别高出了两个和一个数量级；它的机电耦合系数大于90％，比BT陶瓷的机电耦合系数约50％和PZT陶瓷的机电耦合系数约60％都有大幅度的提高。
值得一提的是，采用压电晶体和高分子材料复合技术用于防护罩阻尼材料填充耳罩，能有效地屏蔽、隔绝噪声的振动传导，降低传到到耳膜的噪声分贝值，有效避免了对耳膜的损害，同时又能够清晰地听取骨传导器转换来的语音，以使噪音被消减降低。
本发明抗噪声无线通讯耳罩装置可采用弛豫型铁电压电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 PMN-PT晶体导电微粒与聚偏二氟乙烯混合制得压电吸声材料，这是工艺比较成熟的高分子填充材料之一，利用其高分子的粘弹阻尼特性和压电陶瓷的压电效应，再辅以制备丙烯酸酯聚合物和环氧树脂为基材的复合膜；这样制作的意义是，通过高分子粘弹性产生的力学损耗作用，以及聚合物与压电陶瓷粒子的相互摩擦和陶瓷粒子间的相互摩擦，加上复合膜与物体间的粘接界面层约束作用，和压电阻尼效应来实现最高效的吸声效果。
本发明抗噪声无线通讯耳罩装置要求使用在低功耗近距离的条件下，其无线通讯模块优先采用ZIGBEE模块，并可实现双工通话功能，其它通讯条件下还将根据具体的要求采用不同的通讯标准，如采用目前最新应用于语音传输的ZIGBEE无线传输标准，或包括其它如BULETOOTH、WI-FI以及传统RF传送音频信号，既能获得足够的带宽保证音频质量，同时具备了低功耗、低成本、小体积的优势，同时可以提供双工通话功能。
ZIGBEE名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息，ZIGBEE主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZIGBEE联盟成立于2001年8月，次年的下半年，Invensys、Mitsubishi、以及Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZIGBEE联盟，以研发ZIGBEE的下一代无线通信标准；到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业，所有这些公司都参加了负责开发ZIGBEE物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组，ZIGBEE联盟负责制作网络层以上协议。
目前ZIGBEE标准的制定工作已完成，ZIGBEE协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使用；ZIGBEE可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，采用跳频技术；与蓝牙相比，ZIGBEE更简单、速率更慢、功率及费用也更低；它的基本速率是250kb/s，当降低到280kb/s时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性；另外，它可与254个节点联网；可比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。
根据使用的场合、距离、无线频率资源等情况，可具体采用传统的RF(Radio Frequency)对讲机模块以及蓝牙Bluetooth，红外IrDA和无线局域网802.11(Wi-Fi)。同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术标准，它们分别是：ZigBee、超宽频UltraWideBand、短距离通信NFC、WiMedia、GPS、DECT、无线139和专用无线系统等。它们都有各自立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于距离的扩充性；或符合某些单一应用的特殊要求；或建立竞争技术的差异优化等。
所述各种无线标准特点如下：
| ZigBee | 传统RF对讲机 | Blue-tooth | UWB超宽带 | Wi-Fi | NFC | |
| 安全性 | 中等 | 中等 | 高 | 高 | 低 | 极高 |
| 传输速度 | 10Kbps～250Kbps | 1.2Kbps～9.6Kbps | 1Mbps | 53.3Mbps～480Mbps | 54Mbps | 424Kbps |
| 通信距离 | 有效范围10m～75m143公尺(当传输速率降到26Kbps) | 按发射功率从10M～200KM | 0～10m | 0～10m | 0～100m | 0～20m |
| 频段 | 2.4GHz866MHz(欧洲)915MHz(美国) | 350M～800M | 2.4GHz | 3.1GHz～10.6GHz | 2.4GHz | 13.56MHz |
| 功耗 | 极低 | 很高 | 中等 | 高 | 高 |
例如采用TS-ZigBee-VDK，它是一款基于ZIGBEE技术的全双工无线语音链路开发工具，符合802.15.4及ZigBee的标准，支持ADPCM-32kbps语音编码并符合ITU-T G.726要求，它所采用turbo-mode的MG2400当声音数据传输时可达到提高声音品质，如果MG2400工作是采用urbo-mode状态，RF(Radio Frequency)比特率可提高到1000kbps。TS-ZigBee-VDK系统由RF通信即TS-ZigBee-2400和音频模块语音传输两部分组成，TS-ZigBee-VDK系统具有电话音质语音传输，耳机直接接入后即可实现多人通话。
本发明抗噪声无线通讯耳罩装置在充分调研市场的基础上，为满足实际需要，采取先进的、有效的技术手段，提出了解决强烈噪音环境下的有效语音通讯方案，具有一定的实用价值。
本发明抗噪声无线通讯耳罩装置由于采用了物理手段有效屏蔽噪音，通过骨骼拾取并传递送话音频信号至大脑听觉神经的途径，可在强烈噪声环境下保护工作人员耳膜安全的同时，实现了多人用无线通讯传输装置进行语音小型集群通话，达到了基于低功耗无线传输和音频信号编解码技术在强烈噪声环境下无线语音通讯领域的创新。
本发明抗噪声无线通讯耳罩装置其中关于终端左右防护罩的详细制作等技术，根据实际应用可以采用现有各种可能的方案，为本领域技术人员所熟知，在此也不再赘述。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如骨传导耳机和拾音器在左右防护罩内的互换等，而所有这些改进和变换都本应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1、一种抗噪声无线通讯耳罩装置，其特征在于：包括用于将声音转换成电信号的耳骨传导输入装置，将电信号转换成声波的耳骨传导输出装置，以及与所述耳骨传导输入装置和耳骨传导输出装置电连接的无线通讯模块，用于语音通讯；还包括一耳罩体，所述耳罩体用于承载所述无线通讯模块及所述耳骨传导输入/输出装置，且用于阻隔噪声；所述耳骨传导输入/输出装置与人体耳道紧密接触。
2、根据权利要求1所述的耳罩装置，其特征在于：所述的耳罩体包括一外壳部，其内置阻尼层，所述无线通讯模块设置在所述外壳部内。
3、根据权利要求2所述的耳罩装置，其特征在于：外壳部内侧设置有适配人耳的凹部，所述耳骨传导输入/输出装置设置在所述凹部。
4、根据权利要求2所述的耳罩装置，其特征在于：所述耳骨传导输入/输出装置与所述耳罩体分离设置，通过导线与所述无线通讯模块电连接。
5、根据权利要求2至4任一权利要求所述的耳罩装置，其特征在于：所述阻尼层采用高分子填充材料制成，或采用压电晶体复合材料制成。
6、根据权利要求5所述的耳罩装置，其特征在于：所述无线通讯模块采用ZIGBEE模块。
7、根据权利要求6所述的耳罩装置，其特征在于：还包括一适配头部的支架，所述支架与所述耳罩体的外壳部活动连接，用于将耳罩体固定在人体耳部。
8、根据权利要求7所述的耳罩装置，其特征在于：所述的耳骨传导输入和耳骨传导输出装置一体设置。
9、根据权利要求7所述的耳罩装置，其特征在于：所述耳罩体为两个，分别与所述支架活动连接。
10、根据权利要求7所述的耳罩装置，其特征在于：所述耳罩体为两个，分别与所述支架活动连接；所述耳骨传导输入装置和耳骨传导输出装置分设在两个耳罩体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20080924 |